1、 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 PWMPWM 整流器的概述整流器的概述 电力电子技术的高速发展，使得功率半导体开关器件的性能也在不断提高， 已经冲早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管（SCR）发展到如 今性能不同且种类繁多的全控型功率开关，如双极性晶体管（BJT）、门极关断 （GTO）晶闸管、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET） 等。尤其是 20 世纪 90 年代发展起来的智能型功率模块（IPM）开创了功率半导 体开关器件的新发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，使得电力电子变 流装置技术得以迅速发展，出现了如变频器、逆变电源、高频开关电源、以
2、及 各类变流器等以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，这些各类变流装 置在国民经济各领域中起着重要的作用。不过，目前这些变流装置中的很大一 部分都需要整流环节，从而获得直流电压，因为常规的整流环节多采用了二极 管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，所以对电网注入了大量的谐波和无功， 造成了严重的电网“污染”。要想治理这种“污染”，最根本的措施就是使变 流装置的网侧电流实现正弦化，并运行于单位功率因数。对此，大量学者为此 展开了大量研究工作。其核心思想就是，在整流器的控制中引入 PWM 技术，使 整流器网侧电流正弦化，并可运行于单位功率因数。 根据能量是否可以双向流动，有可逆 PWM 整流
3、器和不可逆 PWM 整流器两种 不同拓扑结构的 PWM 整流器。本设计只用到可逆 PWM 整流器及其控制策略，以 下文中所指 PWM 整流器都是指可逆 PWM 整流器。 因为 PWM 整流器实现了网侧电流正弦化，并运行于单位功率因数，且能量 可双向传输，所以真正实现了“绿色电能变换”。因为 PWM 整流器网侧呈现出 受控电流源特性，所以这一特性使 PWM 整流器及其控制技术得到了进一步的发 展和拓宽，并且取得了更为广泛和更为重要的应用，如有源电力滤波（APF）、 超导储能（SMES）、电气传动（ED）、静止无功补偿（SVG）、统一潮流控制 （UPFC）、高压直流输电（HVDC）、新型 UPS
4、以及太阳能、风能等可再生能源 的并网发电等。 1.21.2 PWMPWM 整流器的分类整流器的分类 整流器 按直流储能形式分类电压型 电流型 按电网相数分类 单相电路 三相电路 多相电路 按 开关调制分类硬开关调制 软开关调制 按桥路结构分类半桥电路 全桥电路 按调制电平分类 二电平电路 三电平电路 多电平电路 表（1-1） 随着 PWM 整流器的发展，已经设计出了多种 PWM 整流器，其可分类如表 （1-1）所示。 虽然 PWM 整流器的分类很多，但是其还是主要分为电压型和电流型两大类， 主要原因是这两种 PWM 整流器不管是在主电路结构、PWM 信号发生、还是在控 制策略等方面都有各自的特
5、点，并且两者间存在着电路上的对偶性。别的分类 方法就主电路的拓扑结构而言，都在电压型和电流型 PWM 整流器之列。 1.31.3 PWMPWM 整流器的研究现状整流器的研究现状 PWM 整流器的研究开始于 20 世纪的 80 年代，这一时期因为自关断器件的 日趋成熟和应用，所以极大地推动了 PWM 技术的应用和研究。1982 年 Busses Alfred、Holtz Joachim 首先提出了基于可关断器件的三相全桥 PWM 整流器拓 扑以及网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型 PWM 整流器网侧的单位功率因 数正弦波电流控制。1984 年 Akagi Hirofumi 等提出了基于 PWM
6、 整流器拓扑结 构的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型 PWM 整流器的早期设计思想。 到了 20 世纪 80 年代末，随着 A.W.Green 等人提出了基于坐标变换的 PWM 整流 器连续、离散动态数学模型及控制策略，把 PWM 整流器的研究与发展推到了一 个新的高度。 自 20 世纪 90 年代以来，PWM 整流器一直都是学术界所研究和关注的热点。 随着对 PWM 整流器的深入研究，基于 PWM 整流器拓扑结构及控制的拓展，以及 相关的许多应用研究也发展了起来，如超导储能、有源滤波器、高压直流输电、 交流传动以及统一潮流控制等。这些应用的研究与发展又促进了 PWM 整流器及 其控制技术的进步与完善。 这一时期 PWM 整流器的发展与研究主要集中于以下几个方面： （1） PWM 整流器的建模与分析； （2） 主电路拓扑结构的研究； （3） 系统控制策略的研究； （4） 电压型 PWM 整流器的电流控制； （5） 电流型 PWM 整流器的研究。 简要叙述如下： 1. 有关 PWM 整流器建模的研究 PWM 整流器数学模型的研究是 PWM 整理器及其控
